JP3974068B2

JP3974068B2 - Planar type electromagnetic actuator

Info

Publication number: JP3974068B2
Application number: JP2003087983A
Authority: JP
Inventors: 譲上田; 慎野村
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004297923A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外側及び内側可動板からなる可動部に薄膜磁石を有する構造の二次元動作をするプレーナー型電磁アクチュエータに関し、特に、この種のアクチュエータの製造を容易にし、小型化を可能にする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプレーナー型電磁アクチュエータには、揺動可能に軸支され薄膜磁石を設けた可動部に対して外部から交番磁界を作用して薄膜磁石の発生する磁界と交番磁界の相互作用により可動部を揺動させるようにしたものがある。
【０００３】
この種のプレーナー型電磁アクチュエータの構成は、例えば図９に示すように、半導体基板１に外側トーションバー２で揺動可能に軸支された枠状の外側可動板３と、該外側可動板３に上記外側トーションバー２の軸方向に直交する内側トーションバー４で揺動可能に軸支された内側可動板５と、を一体的に形成し、該内側可動板５の中央部に設けた反射ミラー６を囲むようにして、枠状の薄膜磁石７を形成している。さらに、可動部の側方周囲の半導体基板１上面には、外側可動板３を駆動するための平面コイル８Ａ，８Ｂと、内側可動板５を駆動するための平面コイル９Ａ，９Ｂが相対する位置に形成されている。また、半導体基板１の上下面に陽極接合する上側及び下側ガラス基板１０，１１がそれぞれ可動部の揺動を確保するための溝１０Ａ，１１Ａを設けた構成である（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上述のプレーナー型電磁アクチュエータは、平面コイル８Ａ，８Ｂに電流を流すと該平面コイル８Ａ，８Ｂに電磁界が発生し、該電磁界と上記薄膜磁石７の磁界との相互作用により外側可動板３が外側トーションバー２の回りに揺動する。また、平面コイル９Ａ，９Ｂに電流を流すと該平面コイル９Ａ，９Ｂに発生する電磁界と上記薄膜磁石７の磁界との相互作用により内側可動板５が内側トーションバー４の回りに揺動する。これにより、上記プレーナー型電磁アクチュエータは、可動部を二つのトーションバーの軸回りに揺動させ、反射ミラー６で光ビームを二次元走査する。
【０００５】
さらに別のプレーナー型電磁アクチュエータには、例えば図１０に示す構成を有するものがある（例えば、非特許文献１参照）。図１０のプレーナー型電磁アクチュエータは、トーションバー１２で揺動可能に軸支された反射ミラーの可動部１３に薄膜磁石７を形成し、該薄膜磁石７の磁化Ｍの方向を上記トーションバー１２の軸方向に直交する方向で可動部１３の面に平行となるように着磁した構成を有している。そして、上記可動部１３の法線方向に配置したコイル１４により交番する外部磁界Ｈを発生して可動部１３に対して作用させ、上記薄膜磁石７の発生する磁界と上記外部磁界Ｈの相互作用により可動部１３を揺動させるようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特許第２７２２３１４号公報
【非特許文献１】
電気学会研究会、マイクロマシン研究会、MM-99-34,P71-74(1999)
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来のプレーナー型電磁アクチュエータにおいては、例えば前者の場合は、外側及び内側可動板３，５を駆動させる平面コイル８Ａ，８Ｂ及び９Ａ，９Ｂを図８に示すように可動部の側方周囲に設置しており、小型化が困難であった。
【０００８】
また、後者の場合は、可動部１３の法線方向の部位にコイル１４を配置しており、プレーナー型電磁アクチュエータの小型化が可能である。しかしながら、後者は、薄膜磁石７の磁化方向をトーションバー１２の軸方向に直交する方向としているため、後者の構成を例えば図８のような二次元タイプのプレーナー型電磁アクチュエータに適用しようとした場合には、図１１に示すように、外側及び内側可動板３，５にそれぞれ薄膜磁石７ａ，７ｂを形成し、薄膜磁石７ａの磁化方向を外側トーションバー２の軸方向に直交する方向とし、薄膜磁石７ｂの磁化方向を内側トーションバー４の軸方向に直交する方向となるようにして、外側と内側で磁化方向を変える必要がある。したがって、薄膜磁石７ａ，７ｂをそれぞれ別工程で形成しなければならず、薄膜磁石７の製造工程が２工程となるためプレーナー型電磁アクチュエータの製造に手間と時間がかかる問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に着目してなされたもので、外側及び内側可動板からなる可動部に形成する薄膜磁石の製造工程を簡略化して製造を容易にし、小型化を可能にするプレーナー型電磁アクチュエータを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このために、請求項１の発明は、外側トーションバーで軸支した枠状の外側可動板と、該外側可動板に前記外側トーションバーの軸方向に直交する内側トーションバーで軸支した内側可動板とを備えた可動部に薄膜磁石を設け、前記可動部に対して該可動部の法線方向に配置した外部磁界発生手段により交番磁界を作用させ、前記薄膜磁石の磁化と外部磁界発生手段の磁界との相互作用により前記可動部を駆動する構成のプレーナー型電磁アクチュエータであって、前記薄膜磁石の磁化方向が前記外側及び内側トーションバーの各軸方向に対して非平行であると共に一方向で、且つ可動部に対して平行となるように前記薄膜磁石を形成した。
【００１１】
このような構成により、外側及び内側可動板を備える可動部に磁化方向が外側及び内側トーションバーの各軸方向に対して非平行であると共に一方向で、且つ可動部に対して平行となるように形成した薄膜磁石に対して、外部磁界発生手段で可動部の法線方向に交番磁界を作用させ、上記薄膜磁石の磁化と外部磁界発生手段の磁界との相互作用により可動部を２軸回りに駆動する。これにより、薄膜磁石の製造工程を１工程で行えるようにし、二次元動作をするプレーナー型電磁アクチュエータの製造を容易にする。また、外部磁界発生手段を可動部の法線方向に配置することで、プレーナー型電磁アクチュエータを小型化できるようになる。
【００１２】
本発明のプレーナー型電磁アクチュエータは、具体的には請求項２のように、前記薄膜磁石は、前記可動部の表裏面の少なくとも一方に設けるとよい。また、前記薄膜磁石は、請求項３のように前記外側及び内側可動板の少なくとも一方に設けてもよい。
【００１３】
また、前記外部磁界発生手段は、請求項４のように異なる二つの周波数の交番磁界を同時に発生する構成とするとよい。具体的には、前記外部磁界発生手段は、請求項５のようにコイル型電磁石で構成するとよい。この場合、請求項６のように前記コイル型電磁石のコイルに、前記外側及び内側可動板の共振周波数の駆動電流を重畳して供給する構成とするとよい。
【００１４】
請求項７の構成の場合においては、前記可動部の少なくとも内側可動板の周縁部に敷設した検出コイルと、前記可動部を間にして互いに反対磁極を対向して配置した静磁界発生手段と、前記内側可動板が静磁界中で揺動することによって前記検出コイルに発生する誘起電圧を検出する検出部と、を有し、前記誘起電圧に基づいて前記可動部の振れ角を検出する振れ角検出手段を備えた。この場合、前記振れ角検出手段は、請求項８のように前記外部磁界発生手段の交番磁界により前記検出コイルに発生する二次誘起電圧成分を前記検出部の出力から除去する構成とするとよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明に係るプレーナー型電磁アクチュエータの第１実施形態の概略構成を斜視図で示す。なお、図８と同一の要素については、同一符号を用いて示す。
図１において、本第１実施形態のプレーナー型電磁アクチュエータは、例えば可動部に反射ミラーを設けて光ビームを二次元走査するように構成した光スキャナーであり、チップ１５と、外部磁界発生手段としてのコイル型電磁石１６と、を備えて構成する。
【００１６】
上記チップ１５は、光ビームを走査するものであり、半導体基板１に外側トーションバー２で軸支した枠状の外側可動板３、及び該外側可動板３に外側トーションバー２の軸方向に直交する内側トーションバー４で軸支した内側可動板５からなる可動部１７と、例えば外側及び内側可動板３，５の裏面に設けた薄膜磁石７と、内側可動板５の表面に設けた反射ミラー６とを備えて構成している。
【００１７】
上記可動部１７は、外側及び内側トーションバー２，４の二つの軸回りに揺動して光ビームを二次元走査するものであり、シリコン等の半導体基板１に外側及び内側可動板３，５と、外側及び内側トーションバー２，４と、を一体的に形成している。
【００１８】
また、上記薄膜磁石７は、その磁化と後述のコイル型電磁石１６から発生する磁界との相互作用により上記可動部１７にトーションバー軸回りの磁気トルクを発生させるものであり、外側及び内側可動板３，５に設けた薄膜磁石７ａ，７ｂの磁化Ｍの方向が、それぞれ可動部１７に対して平行であると共に一方向で、且つ上記外側及び内側トーションバー２，４の各軸方向に非平行に形成している。例えば本第１実施形態においては、図２に示すように薄膜磁石７の磁化Ｍの方向は、内側トーションバー４に対して角度θ（但し、９０度は除く）だけ傾けて形成している。
【００１９】
さらに、上記コイル型電磁石１６は、コイル１８を巻いたボビン１９に磁性金属芯２０を挿通して構成し、コイル１８に電流を印加することで磁界を発生させるようにしている。そして、可動部１７の法線方向の部位に、上記磁界の方向が該法線方向となるように設けている。即ち、可動部１７とコイル型電磁石１６の中心軸を一致させるようにして、可動部１７が必要角度まで回動した際でも接触しない程度に、チップ１５に接近させてコイル型電磁石１６を設置する。例えば本第１実施形態においては、チップ１５とコイル型電磁石１６の磁性金属芯２０の間隔は０．１ｍｍとした。
【００２０】
次に、上記第１実施形態の動作を説明する。
上記コイル型電磁石１６のコイル１８に駆動電流を供給すると、コイル型電磁石１６から磁界が発生し、可動部１７に設けた薄膜磁石７に作用する。
【００２１】
この場合、前述の非特許文献１には、図１０に示すように、可動部１３の薄膜磁石７の磁化方向をトーションバー１２の軸方向に対して直角で、且つ可動部１３に対して平行となるように形成し、可動部１３の法線方向の部位に配置したコイル１４への通電により可動部１３の法線方向に外部磁界を発生した場合、薄膜磁石７の体積をＶ、磁化をＭ、外部磁界をＨとすると、可動部１３に作用する回転力Ｎは、
Ｎ＝ＶＭ×Ｈ
となることが示されている。
【００２２】
一方、本第１実施形態においては、薄膜磁石７の磁化Ｍの方向は、図２に示すように内側トーションバー４に対して角度θだけ傾いている。したがって、外側可動板３に形成した薄膜磁石７ａの磁化Ｍの外側トーションバー２に直交する成分をＭａ、内側可動板５に形成した薄膜磁石７ｂの磁化Ｍの内側トーションバー４に直交する成分をＭｂとすると、磁化Ｍａは、Ｍｓｉｎ（９０−θ）、磁化Ｍｂは、Ｍｓｉｎθとなる。これにより、外側可動板３には、外側トーションバー２軸回りに回転力Ｎａとして
Ｎａ＝ＶＭａ×Ｈ
＝ＶＭｃｏｓθ×Ｈ
が発生する。また、内側可動板５には、内側トーションバー４軸回りに回転力Ｎｂとして
Ｎｂ＝ＶＭｂ×Ｈ
＝ＶＭｓｉｎθ×Ｈ
が発生することになる。
【００２３】
ここで、コイル１８に交流電流を供給して外部磁界Ｈを交番磁界とすれば、外側可動板３は回転力Ｎａにより外側トーションバー２軸回りに、また内側可動板５は回転力Ｎｂにより内側トーションバー４軸回りに揺動する。特に、コイル１８に上記外側可動板３の共振周波数ｆ１及び内側可動板５の共振周波数ｆ２に等しい二つの周波数の駆動電流を重畳して供給すると、コイル型電磁石１６から発生する上記二つの周波数に相当する外部磁界Ｈにより外側及び内側可動板３，５は、それぞれ上記回転力Ｎａ，Ｎｂを得て外側可動板３は周波数ｆ１で、また内側可動板５は周波数ｆ２でそれぞれ個別に共振揺動する。これにより、内側可動板５の表面に形成した反射ミラー６で光ビームを反射して二次元方向に光走査することができる。
【００２４】
このように、本発明の第１実施形態によれば、二次元の光走査可能な可動部１７の外側及び内側可動板３，５に設けた薄膜磁石７の磁化方向が外側及び内側トーションバー２，４の各軸方向に非平行で、且つ可動部１７に対して平行となるように形成しているので、薄膜磁石７の製造工程が１回で済み、二次元光走査型のプレーナー型電磁アクチュエータの製造が容易となる。
【００２５】
なお、上記薄膜磁石７は、図１に示すように可動部１７の裏面に形成するものに限られず、図３（ａ）に示すように可動部１７の表面、または同図（ｂ）に示すように表裏面の双方に形成してもよい。ここで、薄膜磁石７を可動部１７の表裏面の双方に形成した場合には、可動部１７の一面に形成した場合に比べ同一の駆動電流で２倍の駆動力を得ることができる。この場合、反射ミラー６は、可動部１７の表面側の薄膜磁石７の上に形成される。
【００２６】
また、薄膜磁石７は、図１に示すように外側及び内側可動板３，５の双方に形成したものに限られず、図４（ａ）に示すように内側可動板５にのみ、または同図（ｂ）に示すように外側可動板３にのみ形成してもよい。これらの場合、外側及び内側可動板３，５の各共振周波数に等しい周波数の駆動電流を上記コイル１８に重畳して供給すると、各可動部は、各共振周波数でもってそれぞれ個別に共振揺動する。
【００２７】
また、コイル型電磁石１６を可動部１７の法線方向の部位に設けているのでプレーナー型電磁アクチュエータの小型化を図ることができる。
【００２８】
次に、本発明のプレーナー型電磁アクチュエータの第２実施形態を、図５及び図６を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の要素については同一符号を用いて示し、ここでは、異なる部分についてのみ説明する。
【００２９】
本発明の第２実施形態のプレーナー型電磁アクチュエータは、可動部１７の振れ角を検出する振れ角検出手段２８を備えるものである。この振れ角検出手段２８は、内側可動板５の周縁部に敷設した検出コイル２１と、可動部１７を間にして互いに反対磁極を対向して配置した静磁界発生手段２４Ａ，２４Ｂ及び２５Ａ，２５Ｂ（図５参照）と、内側可動板５が静磁界中で揺動することによって検出コイル２１に発生する誘起電圧を検出する検出部２６（図６参照）と、を備えて構成している。なお、検出コイル２１は、内側可動板５に形成するものに限られず、外側及び内側可動板３，５の双方に形成してもよい。
【００３０】
上記検出コイル２１は、図５に示すように引出線２２により内側可動板５から内側トーションバー４、外側可動板３及び外側トーションバー２を経て半導体基板１側に引出し、半導体基板１に設けた電極２３Ａ，２３Ｂに接続している。そして、上記検出部２６は、上記電極２３Ａ，２３Ｂを介して検出コイル２１に接続し、検出コイル２１に発生した誘起電圧を検出する。
【００３１】
さらに、振れ角検出手段２８は、図６に示すようにコイル型電磁石１６から供給される交番磁界Ｈにより検出コイル２１に発生する二次誘起電圧成分を検出部２１の出力から除去する処理部２７を備えている。
【００３２】
上記処理部２７の具体的処理動作の一例は、例えば検出部２６の上記二次誘起電圧を含む出力と、コイル型電磁石１６の駆動部２９で駆動信号を基に作成した上記二次誘起電圧に相当する大きさの信号電圧との差分をとることにより、検出部２６の出力から二次誘起電圧成分を除去する。上記二次誘起電圧は、検出コイル２１と交番する外部磁界Ｈとが差交することにより検出コイル２１に発生するものであり、その大きさは駆動電圧と関連つけて予め知ることができる。なお、上記二次誘起電圧成分の除去は、上述の方法に限られず、他の方法によって行ってもよい。
【００３３】
次に、上記第２実施形態の動作を説明する。なお、可動部１７の駆動は、第１実施形態と同様であるので重複説明は省略する。ここでは、主に可動部１７の振れ角検出について説明する。
【００３４】
コイル型電磁石１６から交番する外部磁界Ｈが供給されると、該外部磁界Ｈと可動部１７に設けた薄膜磁石の磁界とが相互作用して可動部１７が揺動する。このとき、可動部１７には、図５に示すようにその側方周囲に配置した静磁界発生手段２４Ａ〜２５Ｂによる静磁界が作用している。したがって、上記可動部１７の揺動に伴って、内側可動板５に敷設した検出コイル２１が上記静磁界中を動くことになる。これにより検出コイル２１には、可動部１７の振れ角に応じた誘起電圧が発生する。
【００３５】
一方、上記検出コイル２１には、コイル型電磁石１６からの交番する外部磁界Ｈが差交しているため、この外部磁界Ｈによる二次誘起電圧も発生する。したがって、検出コイル２１に発生する誘起電圧は、上記静磁界発生手段による誘起電圧と上記外部磁界Ｈによる二次誘起電圧とが重畳したものとなる。
【００３６】
検出コイル２１に発生した誘起電圧は、引出線２２により半導体基板１側に引出され、電極２３Ａ，２３Ｂを介して図６に示す検出部２６に伝えられる。検出部２６では、上記誘起電圧は所定のレベルまで増幅されて処理部２７に送られる。
【００３７】
一方、コイル型電磁石１６の駆動部２９では、駆動信号を基に、予め求められた駆動電圧と二次誘起電圧との関係から二次誘起電圧に相当する信号が作られ、処理部２７に送られる。
【００３８】
そして、処理部２７では、検出部２６の誘起電圧とコイル型電磁石１６の出力電圧との差分がとられ、上記誘起電圧から二次誘起電圧成分が除去されて静磁界による誘起電圧成分が分離して得られる。これにより、処理部２７から可動部１７の振れ角ψを示す信号が出力する。
【００３９】
このように、本第２実施形態によれば、振れ角検出手段２８を、内側可動板５に検出コイル２１を敷設し、可動部１７の側方周囲に静磁界発生手段２４Ａ〜２５Ｂを配置して可動部１７の揺動に伴って発生する誘起電圧を検出できる構成としているので、該誘起電圧を基に可動部１７の振れ角ψを検出することができる。したがって、プレーナー型電磁アクチュエータの振れ角ψを容易に制御することができる。なお、静磁界発生手段２４Ａ〜２５Ｂを配置する構成としているが、図７のように静磁界発生手段２４′Ａ，２４′Ｂを配置する構成としてもよい。
【００４０】
また、振れ角検出手段２８に処理部２７を設けて上記誘起電圧から検出コイル２１に発生する二次誘起電圧成分を除去する構成としているので、静磁界中を可動部１７が揺動することによって発生する誘起電圧成分を分離して検出することができる。これにより、可動部１７の振れ角の検出精度を向上することができる。
【００４１】
なお、振れ角検出手段２８は、上記検出コイル２１によるものに限られず、例えばトーションバーに形成した圧電体の変形に基づいて発生する電圧変化を検出するものであっても、またトーションバーの軸方向に平行な可動部１７の対辺に対向する部位にホール素子を配置して、該ホール素子で上記薄膜磁石の磁界変化を検出するものであっても、さらに可動部１７と該可動部１７の法線方向の部位に互いに対向して電極を設け、該電極間の静電容量の変化を検出するものであっても、そして可動部１７に光ビームを照射して、該光ビームの可動部１７による走査角から検出するものであってもよい。ここで、光ビームにより可動部１７の振れ角を検出する方法は、例えば、図８に示すようにコイル型電磁石１６の磁性金属芯２０に、その中心軸に沿って貫通孔２０ａを設け、可動部１７の裏面にも反射ミラーを形成し、該反射ミラーに対向して設けた受発光素子３０により上記反射ミラーに対して上記貫通孔２０ａを通して光ビームを照射し、その反射光を上記受発光素子３０で受光してその光量変化で振れ角を検出することができる。
【００４２】
また、外部磁界発生手段は、コイル型電磁石１６に限られず、異なる二つの周波数の交番磁界を同時に発生することができるものであればいかなるものであってもよい。
【００４３】
そして、本発明のプレーナー型電磁アクチュエータは、光スキャナーに限られず、外側及び内側可動板を有し、それぞれが揺動して二次元的な動作をするものであれば、いかなるものにも適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のプレーナー型電磁アクチュエータによれば、外側及び内側可動板を備えて構成する可動部に薄膜磁石を磁化方向が外側及び内側トーションバーの各軸方向に非平行であると共に一方向で、且つ可動部に対して平行となるように設けているので、薄膜磁石の磁化と可動部の法線方向に配置された外部磁界発生手段による磁界との相互作用により薄膜磁石に発生する磁気トルクを利用して可動部を２軸回りに駆動することができる。また、特に磁化方向を一方向としたことにより薄膜磁石の製造工程が１工程で済み、二次元的に動作するプレーナー型電磁アクチュエータの製造が容易になる。
【００４５】
また、外部磁界発生手段を可動部の法線方向の部位に設けているのでプレーナー型電磁アクチュエータの小型化を図ることができる。
【００４６】
さらに、少なくとも内側可動板に検出コイルを敷設し、可動部の側方周囲に静磁界発生手段を配置して可動部の揺動に伴って発生する誘起電圧を検出するように構成した振れ角検出手段を備えているので、プレーナー型電磁アクチュエータの振れ角制御を容易にすることができる。
【００４７】
そして、上記振れ角検出手段に、上記誘起電圧から検出コイルに発生する二次誘起電圧成分を除去する処理部を設けているので、静磁界中を可動部が揺動することによって発生する誘起電圧成分を分離して検出することができ、可動部の振れ角検出精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプレーナー型電磁アクチュエータの第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】薄膜磁石の磁化方向を示す説明図である。
【図３】上記薄膜磁石の別の構成例を示す断面図である。
【図４】上記薄膜磁石の更に別の構成例を示す平面図である。
【図５】本発明によるプレーナー型電磁アクチュエータの第２実施形態を示す平面図である。
【図６】第２実施形態の振れ角検出手段の構成を示すブロック図である。
【図７】第２実施形態における静磁界発生手段の他の配置例を示す平面図である。
【図８】光ビームを利用した可動部の振れ角検出手段の概略構成を示す側面図である。
【図９】従来技術の構成を示す分解斜視図である。
【図１０】従来技術の別の構成を示す概略斜視図である。
【図１１】図１０の従来技術を二次元的に動作するプレーナー型電磁アクチュエータに適用した場合の薄膜磁石の磁化方向を示す説明図である。
【符号の説明】
２…外側トーションバー
３…外側可動板
４…内側トーションバー
５…内側可動板
７…薄膜磁石
１６…コイル型電磁石
１７…可動部
２１…検出コイル
２４Ａ〜２５Ｂ…静磁界発生手段
２６…検出部
２７…処理部
２８…振れ角検出手段[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a planar type electromagnetic actuator having a structure having a thin film magnet in a movable part composed of an outer and an inner movable plate, and more particularly to a technology that facilitates manufacture of this type of actuator and enables miniaturization. About.
[0002]
[Prior art]
In a conventional planar type electromagnetic actuator, a movable part is supported by an interaction between a magnetic field generated by a thin film magnet and an alternating magnetic field by applying an alternating magnetic field from the outside to a movable part pivotally supported and provided with a thin film magnet. Some are made to rock.
[0003]
As shown in FIG. 9, for example, this type of planar electromagnetic actuator has a frame-like outer movable plate 3 pivotally supported on a semiconductor substrate 1 by an outer torsion bar 2 and the outer movable plate 3. And an inner movable plate 5 pivotally supported by an inner torsion bar 4 orthogonal to the axial direction of the outer torsion bar 2, and a reflection provided at the center of the inner movable plate 5. A frame-shaped thin film magnet 7 is formed so as to surround the mirror 6. Furthermore, the planar coils 8A and 8B for driving the outer movable plate 3 and the planar coils 9A and 9B for driving the inner movable plate 5 are opposed to the upper surface of the semiconductor substrate 1 around the side of the movable portion. Is formed. In addition, the upper and lower glass substrates 10 and 11 that are anodically bonded to the upper and lower surfaces of the semiconductor substrate 1 are provided with grooves 10A and 11A for ensuring the swing of the movable part, respectively (for example, see Patent Document 1). ).
[0004]
The planar electromagnetic actuator described above generates an electromagnetic field in the planar coils 8A and 8B when a current is passed through the planar coils 8A and 8B, and the outer movable plate 3 is caused by the interaction between the electromagnetic field and the magnetic field of the thin film magnet 7. Swings around the outer torsion bar 2. Further, when an electric current is passed through the planar coils 9A and 9B, the inner movable plate 5 swings around the inner torsion bar 4 due to the interaction between the electromagnetic field generated in the planar coils 9A and 9B and the magnetic field of the thin film magnet 7. . As a result, the planar electromagnetic actuator swings the movable part around the axes of the two torsion bars and scans the light beam two-dimensionally with the reflection mirror 6.
[0005]
Still another planar electromagnetic actuator has, for example, the configuration shown in FIG. 10 (see, for example, Non-Patent Document 1). In the planar electromagnetic actuator shown in FIG. 10, a thin film magnet 7 is formed on a movable portion 13 of a reflecting mirror that is pivotally supported by a torsion bar 12, and the direction of magnetization M of the thin film magnet 7 is changed to that of the torsion bar 12. The structure is magnetized so as to be parallel to the surface of the movable portion 13 in a direction orthogonal to the axial direction. Then, an alternating external magnetic field H is generated by the coil 14 arranged in the normal direction of the movable portion 13 and is caused to act on the movable portion 13, and the interaction between the magnetic field generated by the thin film magnet 7 and the external magnetic field H is generated. Thus, the movable part 13 is swung.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2722314 [Non-Patent Document 1]
IEEJ Technical Committee, Micromachine Technical Committee, MM-99-34, P71-74 (1999)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional planar type electromagnetic actuator, for example, in the former case, the planar coils 8A, 8B and 9A, 9B for driving the outer and inner movable plates 3, 5 are arranged as shown in FIG. It was installed around the side and it was difficult to downsize.
[0008]
In the latter case, the coil 14 is disposed at a position in the normal direction of the movable portion 13, and the planar electromagnetic actuator can be downsized. However, in the latter case, since the magnetization direction of the thin film magnet 7 is set to a direction orthogonal to the axial direction of the torsion bar 12, the latter configuration is applied to, for example, a two-dimensional type planar electromagnetic actuator as shown in FIG. As shown in FIG. 11, thin film magnets 7a and 7b are formed on the outer and inner movable plates 3 and 5, respectively, and the direction of magnetization of the thin film magnet 7a is perpendicular to the axial direction of the outer torsion bar 2. It is necessary to change the magnetization direction between the outer side and the inner side so that the magnetization direction of the magnet 7b is perpendicular to the axial direction of the inner torsion bar 4. Therefore, the thin-film magnets 7a and 7b must be formed in separate processes, and the manufacturing process of the thin-film magnet 7 is two steps. Therefore, there is a problem that it takes time and labor to manufacture the planar electromagnetic actuator.
[0009]
Accordingly, the present invention has been made paying attention to the above-mentioned problems, and it is a planar that simplifies the manufacturing process of the thin-film magnet formed on the movable part composed of the outer and inner movable plates, and makes it possible to reduce the size. An object of the present invention is to provide an electromagnetic actuator.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To this end, the invention according to claim 1 is a frame-like outer movable plate that is pivotally supported by an outer torsion bar, and an inner movable member that is pivotally supported by the outer movable plate by an inner torsion bar orthogonal to the axial direction of the outer torsion bar. A thin film magnet is provided in a movable part provided with a plate, an alternating magnetic field is applied to the movable part by an external magnetic field generating means arranged in a normal direction of the movable part, and the magnetization of the thin film magnet and the external magnetic field generating means A planar type electromagnetic actuator configured to drive the movable part by interaction with a magnetic field of the thin film magnet , wherein the magnetization direction of the thin film magnet is not parallel to each axial direction of the outer and inner torsion bars and is unidirectional The thin film magnet was formed so as to be parallel to the movable part.
[0011]
With such a configuration, the direction of magnetization of the movable part including the outer and inner movable plates is non-parallel to each axial direction of the outer and inner torsion bars, and is unidirectional and parallel to the movable part. against formed thin film magnet, externally magnetic field generating means by the action of alternating magnetic field in the normal direction of the movable portion, two axes of the movable part by the interaction between the magnetic field of the magnetization and external magnetic field generating means of the thin film magnet To drive. Thereby, the manufacturing process of the thin film magnet can be performed in one process, and the manufacturing of the planar type electromagnetic actuator that performs the two-dimensional operation is facilitated. Further, by arranging the external magnetic field generating means in the normal direction of the movable part, the planar electromagnetic actuator can be miniaturized.
[0012]
Specifically, in the planar type electromagnetic actuator of the present invention, the thin film magnet may be provided on at least one of the front and back surfaces of the movable part. The thin film magnet may be provided on at least one of the outer and inner movable plates as in claim 3.
[0013]
The external magnetic field generating means may be configured to simultaneously generate alternating magnetic fields having two different frequencies as in the fourth aspect. Specifically, the external magnetic field generating means may be composed of a coiled electromagnet as in the fifth aspect. In this case, it is preferable that the driving current having the resonance frequency of the outer and inner movable plates is superposed and supplied to the coil of the coil type electromagnet.
[0014]
In the case of the configuration of claim 7, a detection coil laid on at least a peripheral portion of the inner movable plate of the movable portion, a static magnetic field generating means disposed with the opposite magnetic poles facing each other with the movable portion interposed therebetween, A detection unit that detects an induced voltage generated in the detection coil when the inner movable plate swings in a static magnetic field, and detects a deflection angle of the movable unit based on the induced voltage. A detection means was provided. In this case, the deflection angle detection means may be configured to remove the secondary induced voltage component generated in the detection coil by the alternating magnetic field of the external magnetic field generation means from the output of the detection section as in the eighth aspect.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a first embodiment of a planar electromagnetic actuator according to the present invention. In addition, about the same element as FIG. 8, it shows using the same code | symbol.
In FIG. 1, the planar electromagnetic actuator according to the first embodiment is an optical scanner configured to provide a reflecting mirror on a movable part and perform two-dimensional scanning of a light beam, for example, as a chip 15 and external magnetic field generating means. Coil-type electromagnet 16.
[0016]
The chip 15 scans a light beam, and the frame-shaped outer movable plate 3 pivotally supported by the outer torsion bar 2 on the semiconductor substrate 1 and the outer movable plate 3 orthogonal to the axial direction of the outer torsion bar 2. A movable portion 17 composed of an inner movable plate 5 pivotally supported by the inner torsion bar 4, a thin film magnet 7 provided on the back surface of the outer and inner movable plates 3, 5, and a reflecting mirror provided on the surface of the inner movable plate 5. 6.
[0017]
The movable portion 17 swings around two axes of the outer and inner torsion bars 2 and 4 and scans the light beam two-dimensionally. The outer and inner movable plates 3 and 5 are placed on the semiconductor substrate 1 such as silicon. And the outer and inner torsion bars 2 and 4 are integrally formed.
[0018]
The thin film magnet 7 generates magnetic torque around the torsion bar axis in the movable part 17 by the interaction between the magnetization and a magnetic field generated from a coil type electromagnet 16 described later. The directions of magnetization M of the thin-film magnets 7a and 7b provided on 3 and 5 are parallel to the movable portion 17 and in one direction , and are not parallel to the axial directions of the outer and inner torsion bars 2 and 4, respectively. Is formed. For example, in the first embodiment, as shown in FIG. 2, the direction of the magnetization M of the thin film magnet 7 is inclined with respect to the inner torsion bar 4 by an angle θ (however, excluding 90 degrees).
[0019]
Further, the coil-type electromagnet 16 is configured by inserting a magnetic metal core 20 into a bobbin 19 around which a coil 18 is wound, and a magnetic field is generated by applying a current to the coil 18. And the direction of the said magnetic field is provided in the site | part of the normal line direction of the movable part 17 so that it may become this normal line direction. That is, the coil-type electromagnet 16 is placed close to the chip 15 so that the movable portion 17 and the coil-type electromagnet 16 coincide with each other so that the movable portion 17 does not contact even when the movable portion 17 is rotated to a required angle. . For example, in the first embodiment, the distance between the chip 15 and the magnetic metal core 20 between the coil-type electromagnet 16 is 0.1 mm.
[0020]
Next, the operation of the first embodiment will be described.
When a drive current is supplied to the coil 18 of the coil type electromagnet 16, a magnetic field is generated from the coil type electromagnet 16 and acts on the thin film magnet 7 provided on the movable portion 17.
[0021]
In this case, as shown in FIG. 10, the magnetization direction of the thin film magnet 7 of the movable portion 13 is perpendicular to the axial direction of the torsion bar 12 and parallel to the movable portion 13. When the external magnetic field is generated in the normal direction of the movable portion 13 by energizing the coil 14 disposed in the normal direction portion of the movable portion 13, the volume of the thin-film magnet 7 is V and the magnetization is If M and the external magnetic field are H, the rotational force N acting on the movable part 13 is
N = VM × H
It has been shown that
[0022]
On the other hand, in the first embodiment, the direction of the magnetization M of the thin film magnet 7 is inclined by the angle θ with respect to the inner torsion bar 4 as shown in FIG. Therefore, the component perpendicular to the outer torsion bar 2 of the magnetization M of the thin film magnet 7 a formed on the outer movable plate 3 is represented by Ma, and the component perpendicular to the inner torsion bar 4 of the magnetization M of the thin film magnet 7 b formed on the inner movable plate 5. Assuming Mb, the magnetization Ma is Msin (90−θ), and the magnetization Mb is Msinθ. Thus, the outer movable plate 3 has Na = VMa × H as the rotational force Na around the outer torsion bar 2 axis.
= VMcos θ × H
Will occur. Further, the inner movable plate 5 has Nb = VMb × H as a rotational force Nb around the inner torsion bar 4 axis.
= VMsinθ × H
Will occur.
[0023]
Here, if an alternating current is supplied to the coil 18 to make the external magnetic field H an alternating magnetic field, the outer movable plate 3 is rotated around the outer torsion bar 2 by the rotational force Na, and the inner movable plate 5 is moved inward by the rotational force Nb. It swings around the torsion bar 4 axis. In particular, when a drive current having two frequencies equal to the resonance frequency f1 of the outer movable plate 3 and the resonance frequency f2 of the inner movable plate 5 is supplied to the coil 18 in a superimposed manner, the two frequencies generated from the coil-type electromagnet 16 are increased. By the corresponding external magnetic field H, the outer and inner movable plates 3 and 5 obtain the above rotational forces Na and Nb, respectively, and the outer movable plate 3 and the inner movable plate 5 are individually resonantly oscillated at the frequency f1 and the frequency f2, respectively. To do. As a result, the light beam can be reflected by the reflecting mirror 6 formed on the surface of the inner movable plate 5 and optically scanned in a two-dimensional direction.
[0024]
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the magnetization directions of the thin-film magnets 7 provided on the outer and inner movable plates 3 and 5 of the movable portion 17 capable of two-dimensional optical scanning are the outer and inner torsion bars 2. , 4 so as to be non-parallel to each axial direction and parallel to the movable portion 17, the manufacturing process of the thin-film magnet 7 is only once, and a two-dimensional optical scanning type planar electromagnetic Manufacture of the actuator becomes easy.
[0025]
The thin film magnet 7 is not limited to the one formed on the back surface of the movable portion 17 as shown in FIG. 1, but is shown on the surface of the movable portion 17 as shown in FIG. Thus, it may be formed on both the front and back surfaces. Here, when the thin film magnet 7 is formed on both the front and back surfaces of the movable portion 17, it is possible to obtain twice the driving force with the same driving current as compared with the case where it is formed on one surface of the movable portion 17. In this case, the reflection mirror 6 is formed on the thin film magnet 7 on the surface side of the movable portion 17.
[0026]
Further, the thin film magnet 7 is not limited to the one formed on both the outer and inner movable plates 3 and 5 as shown in FIG. 1, but only on the inner movable plate 5 as shown in FIG. It may be formed only on the outer movable plate 3 as shown in FIG. In these cases, when a driving current having a frequency equal to the resonance frequency of each of the outer and inner movable plates 3 and 5 is supplied to the coil 18 in a superimposed manner, each movable portion individually resonates and swings at each resonance frequency. .
[0027]
In addition, since the coil-type electromagnet 16 is provided in a region in the normal direction of the movable portion 17, the planar electromagnetic actuator can be reduced in size.
[0028]
Next, a planar electromagnetic actuator according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The same elements as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and only different parts will be described here.
[0029]
The planar electromagnetic actuator according to the second embodiment of the present invention includes a deflection angle detection means 28 that detects the deflection angle of the movable portion 17. This deflection angle detecting means 28 is composed of a detection coil 21 laid on the peripheral edge of the inner movable plate 5 and static magnetic field generating means 24A, 24B and 25A, 25B arranged so that opposite magnetic poles face each other with the movable part 17 in between. (See FIG. 5) and a detection unit 26 (see FIG. 6) that detects an induced voltage generated in the detection coil 21 when the inner movable plate 5 swings in a static magnetic field. The detection coil 21 is not limited to the one formed on the inner movable plate 5 and may be formed on both the outer and inner movable plates 3 and 5.
[0030]
As shown in FIG. 5, the detection coil 21 is drawn from the inner movable plate 5 to the semiconductor substrate 1 side through the inner torsion bar 4, the outer movable plate 3 and the outer torsion bar 2 by a lead wire 22, and is provided on the semiconductor substrate 1. The electrodes 23A and 23B are connected. The detection unit 26 is connected to the detection coil 21 via the electrodes 23A and 23B, and detects the induced voltage generated in the detection coil 21.
[0031]
Further, the deflection angle detection means 28 removes the secondary induced voltage component generated in the detection coil 21 by the alternating magnetic field H supplied from the coil type electromagnet 16 from the output of the detection unit 21 as shown in FIG. It has.
[0032]
An example of a specific processing operation of the processing unit 27 is, for example, an output including the secondary induced voltage of the detecting unit 26 and the secondary induced voltage created based on a driving signal by the driving unit 29 of the coiled electromagnet 16. By taking the difference from the corresponding signal voltage, the secondary induced voltage component is removed from the output of the detector 26. The secondary induced voltage is generated in the detection coil 21 when the alternating external magnetic field H intersects with the detection coil 21, and the magnitude thereof can be known in advance in association with the drive voltage. The removal of the secondary induced voltage component is not limited to the above-described method, and may be performed by another method.
[0033]
Next, the operation of the second embodiment will be described. Note that the driving of the movable portion 17 is the same as that in the first embodiment, and a duplicate description is omitted. Here, the detection of the deflection angle of the movable part 17 will be mainly described.
[0034]
When an alternating external magnetic field H is supplied from the coiled electromagnet 16, the external magnetic field H interacts with the magnetic field of the thin film magnet provided on the movable part 17, so that the movable part 17 swings. At this time, as shown in FIG. 5, a static magnetic field is applied to the movable portion 17 by static magnetic field generating means 24A to 25B arranged around the side thereof. Accordingly, the detection coil 21 laid on the inner movable plate 5 moves in the static magnetic field as the movable portion 17 swings. As a result, an induced voltage corresponding to the deflection angle of the movable part 17 is generated in the detection coil 21.
[0035]
On the other hand, since the alternating external magnetic field H from the coil type electromagnet 16 crosses the detection coil 21, a secondary induced voltage due to the external magnetic field H is also generated. Therefore, the induced voltage generated in the detection coil 21 is a superposition of the induced voltage by the static magnetic field generating means and the secondary induced voltage by the external magnetic field H.
[0036]
The induced voltage generated in the detection coil 21 is drawn to the semiconductor substrate 1 side by the lead wire 22, and is transmitted to the detection unit 26 shown in FIG. 6 via the electrodes 23A and 23B. In the detection unit 26, the induced voltage is amplified to a predetermined level and sent to the processing unit 27.
[0037]
On the other hand, the drive unit 29 of the coiled electromagnet 16 generates a signal corresponding to the secondary induced voltage from the relationship between the drive voltage and the secondary induced voltage obtained in advance based on the drive signal and sends the signal to the processing unit 27. It is done.
[0038]
In the processing unit 27, the difference between the induced voltage of the detecting unit 26 and the output voltage of the coiled electromagnet 16 is taken, the secondary induced voltage component is removed from the induced voltage, and the induced voltage component due to the static magnetic field is separated. Obtained. As a result, a signal indicating the deflection angle ψ of the movable unit 17 is output from the processing unit 27.
[0039]
As described above, according to the second embodiment, the deflection angle detection means 28 includes the detection coil 21 laid on the inner movable plate 5, and the static magnetic field generation means 24 </ b> A to 25 </ b> B are disposed around the side of the movable portion 17. Thus, the induced voltage generated along with the swing of the movable part 17 can be detected, so that the swing angle ψ of the movable part 17 can be detected based on the induced voltage. Therefore, the swing angle ψ of the planar electromagnetic actuator can be easily controlled. Although the static magnetic field generation means 24A to 25B are arranged, the static magnetic field generation means 24'A and 24'B may be arranged as shown in FIG.
[0040]
Further, since the processing unit 27 is provided in the deflection angle detection means 28 and the secondary induced voltage component generated in the detection coil 21 is removed from the induced voltage, the movable unit 17 oscillates in the static magnetic field. The generated induced voltage component can be separated and detected. Thereby, the detection accuracy of the deflection angle of the movable part 17 can be improved.
[0041]
Note that the deflection angle detecting means 28 is not limited to the one using the detection coil 21, and for example, may detect a voltage change generated based on deformation of a piezoelectric body formed on the torsion bar, or may be a shaft of the torsion bar. Even if the Hall element is arranged at a portion facing the opposite side of the movable part 17 parallel to the direction and the change in the magnetic field of the thin film magnet is detected by the Hall element, the movable part 17 and the movable part 17 Even if the electrodes are provided opposite to each other in the normal direction and the change in capacitance between the electrodes is detected, the movable part 17 is irradiated with a light beam, and the movable part of the light beam is irradiated. 17 may be detected from the scanning angle of 17. Here, as a method of detecting the deflection angle of the movable portion 17 by the light beam, for example, as shown in FIG. 8, the magnetic metal core 20 of the coil-type electromagnet 16 is provided with a through hole 20a along its central axis, and is movable. A reflection mirror is also formed on the back surface of the portion 17, and a light beam is irradiated to the reflection mirror through the through-hole 20 a by the light emitting / receiving element 30 provided facing the reflection mirror, and the reflected light is received and emitted. The deflection angle can be detected by receiving the light at the element 30 and changing the amount of light.
[0042]
Further, the external magnetic field generating means is not limited to the coil type electromagnet 16, and any means may be used as long as it can generate alternating magnetic fields having two different frequencies at the same time.
[0043]
The planar electromagnetic actuator according to the present invention is not limited to an optical scanner, and can be applied to any one as long as it has outer and inner movable plates and each swings to perform a two-dimensional operation. .
[0044]
【The invention's effect】
According to the planar type electromagnetic actuator of the present invention described above, the magnetization direction thin magnet in the movable portion constituting an outer and inner movable plate are not parallel to each axis direction of the outer and inner torsion bars Since it is provided in one direction and parallel to the movable part, it is generated in the thin film magnet by the interaction between the magnetization of the thin film magnet and the magnetic field generated by the external magnetic field generating means arranged in the normal direction of the movable part. The movable part can be driven around two axes by using the magnetic torque. In particular, since the magnetization direction is unidirectional, the manufacturing process of the thin-film magnet is one step, and it becomes easy to manufacture a planar electromagnetic actuator that operates two-dimensionally.
[0045]
In addition, since the external magnetic field generating means is provided at the site in the normal direction of the movable part, the planar electromagnetic actuator can be miniaturized.
[0046]
In addition, a detection coil is installed at least on the inner movable plate, and a static magnetic field generating means is arranged around the side of the movable part to detect an induced voltage generated by the swing of the movable part. Since the means is provided, the swing angle control of the planar electromagnetic actuator can be facilitated.
[0047]
Further, since the processing unit for removing the secondary induced voltage component generated in the detection coil from the induced voltage is provided in the deflection angle detecting means, the induced voltage generated when the movable part swings in the static magnetic field. The components can be detected separately, and the deflection angle detection accuracy of the movable part can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a planar electromagnetic actuator according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a magnetization direction of a thin film magnet.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another configuration example of the thin film magnet.
FIG. 4 is a plan view showing still another configuration example of the thin film magnet.
FIG. 5 is a plan view showing a second embodiment of a planar electromagnetic actuator according to the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a deflection angle detection unit of the second embodiment.
FIG. 7 is a plan view showing another arrangement example of the static magnetic field generating means in the second embodiment.
FIG. 8 is a side view showing a schematic configuration of a swing angle detection means of a movable part using a light beam.
FIG. 9 is an exploded perspective view showing a configuration of a conventional technique.
FIG. 10 is a schematic perspective view showing another configuration of the prior art.
11 is an explanatory diagram showing the magnetization direction of a thin film magnet when the prior art of FIG. 10 is applied to a planar electromagnetic actuator that operates two-dimensionally.
[Explanation of symbols]
2 ... outer torsion bar 3 ... outer movable plate 4 ... inner torsion bar 5 ... inner movable plate 7 ... thin film magnet 16 ... coil electromagnet 17 ... movable part 21 ... detection coils 24A to 25B ... static magnetic field generating means 26 ... detection part 27 ... Processing unit 28 ... Deflection angle detection means

Claims

A thin film magnet is provided on a movable part including a frame-shaped outer movable plate pivotally supported by an outer torsion bar and an inner movable plate pivotally supported by an inner torsion bar orthogonal to the axial direction of the outer torsion bar. provided, by the action of alternating magnetic field by external magnetic field generating means disposed in the normal direction of the movable portion relative to the movable part, the movable part by the interaction between the magnetic field of the magnetization and external magnetic field generating means of the thin film magnet A planar electromagnetic actuator configured to drive,
The thin film magnet is formed such that the magnetization direction of the thin film magnet is not parallel to each axial direction of the outer and inner torsion bars, is in one direction , and is parallel to the movable part. Planar type electromagnetic actuator.

The planar electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the thin film magnet is provided on at least one of the front and back surfaces of the movable part.

3. The planar electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the thin film magnet is provided on at least one of the outer and inner movable plates.

The planar electromagnetic actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein the external magnetic field generating means is configured to simultaneously generate alternating magnetic fields having two different frequencies.

The planar electromagnetic actuator according to any one of claims 1 to 4, wherein the external magnetic field generating means is composed of a coil type electromagnet.

The planar electromagnetic actuator according to claim 5, wherein a driving current having a resonance frequency of the outer and inner movable plates is supplied to a coil of the coil type electromagnet in a superimposed manner.

A detection coil laid on at least a peripheral edge of the inner movable plate of the movable portion, a static magnetic field generating means arranged with the opposite magnetic poles facing each other with the movable portion in between, and the inner movable plate swinging in a static magnetic field. A detection unit that detects an induced voltage generated in the detection coil by moving, and further includes a deflection angle detection unit that detects a deflection angle of the movable unit based on the induced voltage. The planar electromagnetic actuator according to any one of claims 1 to 6.

8. The configuration according to claim 7, wherein the deflection angle detection unit is configured to remove a secondary induced voltage component generated in the detection coil by the alternating magnetic field of the external magnetic field generation unit from the output of the detection unit. Planar type electromagnetic actuator.